Paragraf引领石墨烯传感技术前沿

长期以来，科学家和工程师们一直大力推崇石墨烯在电子设备中的应用，因为它具有出色的导电性、光学透明度、机械强度、导热性和在高温下保持稳定性的能力。然而，石墨烯在商业层面的电子产品中的应用仍然有限。部分原因是，制造和集成大多数（但不是全部）大规模电子产品所需的单层石墨烯要困难得多。这也是因为，作为一种新材料，石墨烯在使用前必须经过严格的监管和认证要求，才能在许多高科技应用中使用。尽管如此，包括传感器在内的许多先进技术市场正开始更广泛地使用这种材料。

全球许多公司都开发了石墨烯传感器，但其中许多公司纯粹围绕生物传感，许多公司在疫情期间试图开发先进的COVID 测试。但总部位于英国剑桥郡的Paragraf公司的目标不仅仅是成为一家小规模的石墨烯传感器批量生产商。相反，该公司的目标是成为第一家为最终用户提供“空白画布”石墨烯场效应晶体管(gFET) 传感组件，代工厂可以根据不同行业的用户的个性化需求进行定制。

Paragraf 认为，这种方法将使公司更容易扩大其制造能力。这种方法消除了监管限制，使工程师只需专注于核心技术，而不必考虑他们的传感器可能用于哪些场景以及需要专门定制哪些场景。

构建空白画布gFET

可以说，Paragraf 的传感器元件是一块空白画布。该公司正在通过在蓝宝石基板上生长石墨烯并在顶部添加两个带有栅极电极的触点来构建主要传感表面（画布）。然后由 Paragraf 的客户根据他们的需要完成传感器的最终设计：“我们出售的不是成品传感器，” Paragraf 的生物传感器总监Mark Davis表示，他补充说，用户可以将许多不同类型的受体添加到传感器中。

通过让用户控制传感受体，gFET 将更容易满足各自行业的监管和认证要求。Paragraf 瞄准了许多应用和行业，包括医疗 诊断中的钾离子传感、农业废水径流中的重金属检测、医疗、农业和氢能行业中的气体传感应用、细胞和基因治疗中的 pH 传感、食品和饮料监测以及化学加工应用。

gFET 在医疗诊断方面也具有很大的潜力，因为可以在同一芯片上测量多种不同的生物标记或感兴趣的化学成分。“许多 gFET 只包含 3 到 5 个通道，但 Paragraf 的 FET 尺寸意味着我们可以在一个芯片上安装多达 100 个通道，”戴维斯说，这使得最终的芯片能够检测和区分给定样本中的更多东西。

据 Paragraf 公司称，由于 gFET 具有高灵敏度，其用户开始使用这些空白画布传感器开发医疗诊断平台，用于单离子和 pH 传感应用。“对于大多数医疗保健应用，我们正在寻找一次性使用的传感器，每个传感器的成本为 1 美元，”戴维斯说。“未来，只要我们每年能生产超过 100 万个 [传感器]，并将晶圆尺寸保持在 3 x 3 毫米以下，我们就能够将成本降低到这个水平——在现实世界中拓展石墨烯传感器和石墨烯电子产品的潜力和能力。”

大规模开发gFET传感器组件

Paragraf 正在开发的 gFET 是一种电解质门控FET。FET的工作原理是将用户想要分析的电解质液滴放置在传感器表面。电解质的电导率会产生电偏压，从而改变传感器石墨烯片中电子的行为方式。这也会改变石墨烯片上可检测的电阻——而且由于石墨烯的电性能非常好，因此可以检测到电解质样品中极小浓度的离子（包括单个离子）。

Paragraf 正在批量生产传感器，类似于半导体行业制造充满芯片的晶圆的方式，并通过金属有机化学气相沉积将石墨烯直接沉积到晶圆上，并在顶部连接金属触点。

许多化学气相沉积技术可以在铜箔上生长石墨烯，但随后需要将石墨烯转移到终端设备，这可能会导致石墨烯中出现结构缺陷和铜污染，从而影响设备的传感能力。通过直接在晶圆上生长石墨烯，Paragraf 避免了这种情况，从而提高了设备的传感性能。戴维斯表示，Paragraf“以半导体方式制造传感器元件，这样我们就可以将传感器元件小型化，并在每个芯片上安装更多传感器元件。Paragraf 的愿景是成为一家代工厂，成为最终诊断解决方案的传感器组件制造商。”

戴维斯表示，Paragraf 目前可以在边长 51 毫米的晶圆上安装多达 32 个 gFET 。该公司正在剑桥郡亨廷顿建立一个大型制造工厂。Paragraf 最近还收购了位于圣地亚哥的另一家石墨烯传感器公司 Cardea Bio 。

Paragraf 还在开发具有宽动态范围的石墨烯霍尔效应传感器，用于低场和高场磁测量应用——从绘制CERN的高磁场图和测量电磁场，到精确定位电池中的电流泄漏和测量量子计算机内部超小磁场的存在——但这些都是标准的传感器元件架构，不需要最终用户进行任何进一步的输入即可使用——它们已经准备就绪。最终，Paragraf 押注于空白 gFET，希望能够创建第一个石墨烯代工厂。